基于EWIPM的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化仿真

尹 靜，徐曉林，熊小華

(上海第二工業(yè)大學(xué)，上海 201209)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)龐大復(fù)雜且空間分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類行業(yè)。但是在實(shí)際使用過程中，很容易產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)擁塞，造成負(fù)荷較多的節(jié)點(diǎn)由于耗能過大而導(dǎo)致信息傳輸鏈路斷裂、信息丟失等情況。此外，節(jié)點(diǎn)自身受到能量、計(jì)算與儲(chǔ)存能力等條件限制，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡。在此種情況下，如何保證網(wǎng)絡(luò)安全，提高信息傳輸質(zhì)量已經(jīng)成為重點(diǎn)研究方向。

文獻(xiàn)[1]提出基于中繼協(xié)同的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸算法。該算法是在能效最大程度優(yōu)化準(zhǔn)則上實(shí)現(xiàn)的，而中繼節(jié)點(diǎn)通過源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)實(shí)現(xiàn)能量采集；綜合分析功率轉(zhuǎn)換效率與電路損耗等因素，將物聯(lián)網(wǎng)最優(yōu)傳輸轉(zhuǎn)化為求解節(jié)點(diǎn)信息傳輸最優(yōu)解的問題；引入高信噪比近似法獲得優(yōu)化問題的漸進(jìn)最佳解。文獻(xiàn)[2]提出物聯(lián)網(wǎng)下信息傳輸節(jié)點(diǎn)占用內(nèi)存的優(yōu)化方案。利用網(wǎng)絡(luò)中不同種類節(jié)點(diǎn)相對(duì)數(shù)據(jù)包緩存最佳配置方法，對(duì)節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)包排隊(duì)模型，同時(shí)分析模型堵塞狀況；在排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中加入適量保持節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)使用情況判斷數(shù)據(jù)包緩存大?。粚⑴抨?duì)網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸調(diào)度模型，結(jié)合分簇任務(wù)信息流，采集節(jié)點(diǎn)信息特征，形成高效多址協(xié)議；通過時(shí)隙分配改善節(jié)點(diǎn)傳輸信息的準(zhǔn)確率，達(dá)到優(yōu)化內(nèi)存的目的。

上述兩種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高且優(yōu)化過程較為復(fù)雜，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。因此，本文在熵權(quán)理想點(diǎn)算法基礎(chǔ)上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸進(jìn)行優(yōu)化。理想點(diǎn)屬于一種較為簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析算法，在不同指標(biāo)的評(píng)價(jià)值中計(jì)算出最優(yōu)值與最劣值，其中最優(yōu)值為理想點(diǎn)，最劣值表示反理想點(diǎn)。利用全部理想點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)向量，稱其為理想解，通過計(jì)算各待評(píng)價(jià)目標(biāo)與理想解的距離，即可獲得優(yōu)劣順序，根據(jù)該順序，完成節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化。

2 基于熵權(quán)理想點(diǎn)法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化

2.1 擁塞節(jié)點(diǎn)定位

要想實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息的高效安全傳輸，首先必須找到網(wǎng)絡(luò)中的擁塞節(jié)點(diǎn)[3]。在確定擁塞節(jié)點(diǎn)過程中，需通過自適應(yīng)信息融合跟蹤法提取擁塞節(jié)點(diǎn)特征，再對(duì)其進(jìn)行定位。

2.1.1 擁塞節(jié)點(diǎn)特征參量

假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn)(xs，ys)和中繼節(jié)點(diǎn)s之間的傳輸信道覆蓋半徑表示為d(s，p)，通過歐式距離[4]獲取節(jié)點(diǎn)之間傳輸信道的覆蓋半徑

(1)

(2)

式中，i(i=1，2，…，M)表示節(jié)點(diǎn)規(guī)律削弱的幾何參數(shù)，uk為擴(kuò)展區(qū)間矢量[6]，由于節(jié)點(diǎn)在空間分布中具有離散屬性xk，結(jié)合不同精度射線模型來估計(jì)節(jié)點(diǎn)能量傳播損失情況，獲得節(jié)點(diǎn)傳輸因子特征及能量損失值為

(3)

式中，x(′k)與x(′k+1)分別表示′k、′k+1時(shí)間點(diǎn)上物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸因子特征，A(′k)為節(jié)點(diǎn)壞死狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，添加的干擾項(xiàng)w(′k)屬于均值為零的高斯白噪聲[7]，Γ(′k)是網(wǎng)絡(luò)信道衰減損失矩陣，zφ(′k)則表示第φ個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量損失值，Hi(′k)描述隨著網(wǎng)絡(luò)頻率的增加而增長(zhǎng)的參量誤差，ui(′k)表示信道測(cè)量噪聲。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)傳輸信道的參量原始狀態(tài)為x(0)，均值為x0，方差是P0，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)混亂傳輸條件，則擁塞節(jié)點(diǎn)特性為w(′k)與ui(′k)，再利用自適應(yīng)量化估計(jì)方法預(yù)測(cè)混亂信道參量狀態(tài)，得出節(jié)點(diǎn)傳輸信道的測(cè)量值

mi(′k)=zi(′k)+qi(′k)=Hi(′k)+ui(′k)+

qi(′k)=Hi(′k)x(′k)+vi(′k)

(4)

式中，擁塞節(jié)點(diǎn)的衰弱因子qi(′k)的方法需需滿足以下約束條件

(5)

(6)

綜上所述，采用自適應(yīng)信息融合跟蹤檢測(cè)算法獲取物聯(lián)網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn)的擁塞特征，確定各擁塞節(jié)點(diǎn)特征參量。

2.1.2 擁塞節(jié)點(diǎn)定位

在對(duì)擁塞節(jié)點(diǎn)定位過程中，結(jié)合擁塞節(jié)點(diǎn)屬性建立距離函數(shù)，并對(duì)定位信息做非線性轉(zhuǎn)換[8]，確保定位精度。

假定λth表示節(jié)點(diǎn)傳輸功率，λce為傳輸增益，λb(s)代表節(jié)點(diǎn)傳輸路徑的能量損耗，則可以算出擁塞節(jié)點(diǎn)特征距離

dq=In(uq+wq)2·ξq/β

(7)

其中，β表示擁塞節(jié)點(diǎn)距離參數(shù)，uq為屬性區(qū)域的中心坐標(biāo)參數(shù)，ξq指網(wǎng)絡(luò)能量屬性均值，通過該距離對(duì)初始擁塞節(jié)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)做線性變換

(8)

式中，qb(U)表示物聯(lián)網(wǎng)擁塞節(jié)點(diǎn)與運(yùn)算模型之間的基函數(shù)，通過下述公式可以獲得物聯(lián)網(wǎng)中不同信號(hào)參量

wq=C(U)/dq·(umax+umin)

(9)

式中，umax與umin分別表示擁塞節(jié)點(diǎn)與屬性向量之間的極大值和極小值。因此節(jié)點(diǎn)距離殘差數(shù)的屬性矢量為

F(q)=(umax+up)fq/Zq

(10)

其中，fq表示擁塞節(jié)點(diǎn)距離殘差計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果，Zq為極大值經(jīng)過量化的結(jié)果。綜上所述，可以得到擁塞節(jié)點(diǎn)屬性數(shù)量，使用傳輸故障信號(hào)提取基函數(shù)，則可得出擁塞信號(hào)的中點(diǎn)與平均值，并計(jì)算出擁塞節(jié)點(diǎn)信號(hào)距離誤差

(11)

如果，計(jì)算得出擁塞節(jié)點(diǎn)距離低于誤差閾值B[lI，l]，則此節(jié)點(diǎn)是距離較為準(zhǔn)確。通過下述公式獲取擁塞節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確位置

(12)

根據(jù)上述節(jié)點(diǎn)定位過程，獲得擁塞節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確位置，對(duì)其進(jìn)行過濾，確保物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，減少信息傳輸擁堵現(xiàn)象。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息介數(shù)中心性

(13)

式中，i=1，2，3，…，n，n為時(shí)間可達(dá)子圖總量，N代表節(jié)點(diǎn)總數(shù)。節(jié)點(diǎn)平均度能夠體現(xiàn)出其活躍程度，該指標(biāo)值越高，說明此節(jié)點(diǎn)和其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸?shù)男阅茉綇?qiáng)，因此該節(jié)點(diǎn)越重要。

(14)

該值越高，表明通過此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)消息的幾率越大，說明節(jié)點(diǎn)越關(guān)鍵。

(15)

將可行節(jié)點(diǎn)集合映射到距離空間[10]內(nèi)，同時(shí)將Lp(λ，i)當(dāng)作綜合評(píng)價(jià)總指標(biāo)

(16)

因此，綜合評(píng)價(jià)各指標(biāo)更能夠得到精準(zhǔn)的理想點(diǎn)，按照上述公式值由小到大排序，以此確定出理想點(diǎn)與反理想點(diǎn)。

(17)

計(jì)算得出的值越大，節(jié)點(diǎn)對(duì)信息傳輸路徑的影響就越大，說明此節(jié)點(diǎn)越重要。

2.3 節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化模型構(gòu)建

(18)

將式(17)引入到式(18)中，獲取邊的傳輸延時(shí)函數(shù)

delay(e)：E→C′(Tk)

(19)

式中，delay(e)代表節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過邊e∈E時(shí)出現(xiàn)的延時(shí)。

再將式(18)與式(19)相結(jié)合，得到表示傳輸帶寬函數(shù)

b：delay(e)→R+

(20)

式中，b(e)表示e∈E的傳輸帶寬[11]。假定pT(s，d)為在樹Tk簇頭s到其它安全傳輸節(jié)點(diǎn)d的信息傳輸路徑，通過下述公式即可計(jì)算出物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)恼w延時(shí)

(21)

確定組播樹Tk需符合的約束條件

(22)

微粒經(jīng)過不斷分析自身與群體經(jīng)驗(yàn)，在包括大量解的空間中尋找最佳值。假設(shè)微粒尋找到自身現(xiàn)階段最佳解是Oi，搜尋到微粒群的最佳解是Og，假如微粒群中第r個(gè)微粒在d維空間中的原始位置表示為mr=(mr1，mr2，…，mrd)，原始速度記作vr=(vr1，vr2，…，vrd)，所有微粒遍歷最優(yōu)的位置集合描述為Hr=(hg1，hg2，…，hgd)，則節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化模型

(23)

則物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

步驟一：對(duì)微粒做初始化操作，生成具有一定規(guī)模的微粒群；

步驟二：對(duì)所有微粒群價(jià)值[12]進(jìn)行計(jì)算；

步驟三：對(duì)比所有微粒經(jīng)歷的最佳歷史位置與當(dāng)前位置，如果當(dāng)前位置優(yōu)于歷史位置，則更新歷史位置；

步驟四：對(duì)比微粒經(jīng)歷的最優(yōu)位置和微粒群經(jīng)歷的最優(yōu)位置，如果現(xiàn)階段位置優(yōu)于微粒群最佳位置，則進(jìn)行位置更新；

步驟五：如果滿足約束條件，則停止運(yùn)算，反之回到步驟二繼續(xù)進(jìn)行，并將停止條件設(shè)置成一定的迭代次數(shù)。

經(jīng)過上述過程，不斷尋找物聯(lián)網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的最佳傳輸關(guān)系，最終得到信息傳輸優(yōu)化方案。

3 仿真分析

仿真中，將添加噪聲后的信息當(dāng)作物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的實(shí)際傳輸信息。在MATLAB軟件平臺(tái)中進(jìn)行仿真，對(duì)本文方法、文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行比較，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)過程描述如下：

1)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行初始化處理，利用隨機(jī)分布形式按實(shí)驗(yàn)參數(shù)表中節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行排列，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)較為固定，傳輸協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4，節(jié)點(diǎn)之間隨機(jī)進(jìn)行信息傳輸；

2)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，如表1所示，每間隔20秒進(jìn)行一次信息傳輸，上傳帶寬低于300kbps/s，同時(shí)要求數(shù)據(jù)比特大小低于1024bit；

3)信號(hào)調(diào)制，完成節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與數(shù)據(jù)初始化后，在仿真環(huán)境下，調(diào)制射頻信號(hào)，并添加萊斯噪聲信號(hào)；

4)開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間不能少于10個(gè)小時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中不同傳輸方法的抗干擾性、數(shù)據(jù)擁塞率以及傳輸時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下。

為測(cè)試三種傳輸優(yōu)化方法的抗干擾性能，在節(jié)點(diǎn)密度不同情況下對(duì)比不同方法產(chǎn)生的誤碼率，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 傳輸誤碼率對(duì)比

圖1展示了不同方法隨節(jié)點(diǎn)密度增加時(shí)誤碼率仿真結(jié)果，能夠看出所提方法誤碼率優(yōu)勢(shì)較為明顯，并且始終處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。表明熵權(quán)理想值方法能夠準(zhǔn)確獲得理想節(jié)點(diǎn)，減少在信息并發(fā)傳輸時(shí)互相干擾現(xiàn)象，緩解信息匯聚壓力。而其它方法在節(jié)點(diǎn)密度較為稀疏時(shí)無法獲取足夠數(shù)量樣本，會(huì)產(chǎn)生頻率漂移現(xiàn)象，所以誤碼率較高。

由圖2與圖3可知，本文方法由于過濾了網(wǎng)絡(luò)中原有的擁塞節(jié)點(diǎn)，因此在信息傳輸過程中擁塞現(xiàn)象明顯降低，減少了因傳輸失敗導(dǎo)致的反復(fù)傳輸現(xiàn)象，所以在減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時(shí)提高信息傳輸效率。

圖2 傳輸擁塞率對(duì)比

圖3 傳輸時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)論

為改善物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸性能，本文提出熵權(quán)理想點(diǎn)法的傳輸優(yōu)化策略。該方法具有多種量綱，通過不同指標(biāo)綜合反映被評(píng)價(jià)目標(biāo)的實(shí)際重要程度，各指標(biāo)最大程度排除人為因素影響，所以存在一定自適應(yīng)功能。由于節(jié)點(diǎn)信息傳輸優(yōu)化問題通常較為復(fù)雜，各因素之間相互聯(lián)系、相互影響，展現(xiàn)出非線性關(guān)系，所以熵權(quán)理想點(diǎn)法為此類問題提供強(qiáng)有力的工具，與其它方法相比展示出其優(yōu)越性。